隨著汽車電子功能的爆炸式增長,越來越豪華的汽車是否會危及乘客安全呢?這就是汽車過電氣化問題的起源,設計工程師要采取什么舉措才能避免潛在的危險呢?
回憶過去(不那么遙遠以前),駕駛著你爸的老爺車,AM/FM收音機、磁帶錄放機和汽車空調(diào)標志著那個時代豪華汽車的最高水平了。如今,許多人難以想象,全家人的公路之旅幾乎都配備了衛(wèi)星導航GPS、每一個乘客單獨的DVD播放機、車內(nèi)氣候控制、加熱座椅、巡航控制、無線接入以及提醒駕駛員車燈一直開著的語音提示功能,引擎要持續(xù)為這些電子系統(tǒng)供電,否則,車上這些設備將變成華而不實的擺設。
隨著汽車電子和電氣附件的增加,制造商如何通過提供足夠的電源來滿足其要求呢?一旦出現(xiàn)電壓浪涌或下跌,會發(fā)生什么情況?更為豪華的汽車是否會危及乘客的安全?要采取什么解決方案才能確保高度電氣化的汽車維持足夠的電源?
附件功耗呈現(xiàn)上升之勢
汽車電子和電器設備以平均每輛車每年超過110W的速度遞增,最近,過去由機械力和液壓力推動的系統(tǒng)都改由電力驅動,對電能的大部分需求都源于此。上世紀80年代出現(xiàn)的防抱死剎車系統(tǒng)(ABS)具有存儲容量大約為8KB電子控制單元;而現(xiàn)代的第五代ABS硬件配備128KB的存儲器,大小僅僅為早期系統(tǒng)的40%。由于設計精巧和創(chuàng)新,現(xiàn)代電氣/電子系統(tǒng)對功率的要求通常比最初推出的系統(tǒng)要小。
下表總結了現(xiàn)代汽車的汽車電氣/電子系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)(和負載):
發(fā)動機管理
多媒體和加熱、通風和空調(diào)(HVAC)
車身電子
底盤電子
照明(外部和內(nèi)部)
未來的系統(tǒng)
表中所列的用電負載是連續(xù)和間歇運行的部件的混合體。然而,汽車電力充電系統(tǒng)的組成部分至少要包括交流發(fā)電機、蓄電池和電力配線系統(tǒng)(也就是PowerNet),它必須完全持續(xù)地支持引擎管理功能以及大部分的多媒體和HVAC功能,并根據(jù)駕駛條件和消費者的用途支持其余類別的汽車電子系統(tǒng)。
表中的兩類(引擎管理、多媒體和HVAC)汽車電子系統(tǒng)需要汽車電力系統(tǒng)提供102A的電流。這一點很重要,為了描述附件超載的電流狀態(tài),要注意:為了在不增加電池的條件下支持102A的負載,交流發(fā)電機必須具備大約兩倍的額定電流—204A。原因在于:當引擎低速運行且怠速時,汽車交流發(fā)電機僅僅可以產(chǎn)生一半的電能。這就需要大型的交流發(fā)電機,在標稱系統(tǒng)電壓為14.2V的PowerNet上,它必須提供2,840W的功率。
如果以不同的占空周期把其余的四個子系統(tǒng)的用電負載包含在汽車的負載調(diào)查表中,就有可能輕易地超過交流發(fā)電機的供電能力。當這種情況出現(xiàn)于現(xiàn)在的汽車上時,PowerNet的電壓就會下降,直到系統(tǒng)電壓與電池內(nèi)部12.8V的電壓匹配,此時,蓄電池開始為總的用電負載提供一部分電能。這種效應被稱為電池分配(battery contribution)。
電池分配是一種周期性的事件,它隨機地為不定期工作的用電負載供電,如乘員室的自動溫度控制、旋轉方向盤的事件;或為消費者所選擇的確定性負載供電,如音響或導航助手。這些周期性事件就是電池耗盡的原因,并最終導致需要更換電池。
關于該表要注意的最后一點是:如果考慮車身電子、照明和底盤電子等子系統(tǒng)的間歇性負載,對汽車充電系統(tǒng)的需求就真的是附件超載(accessory overload)。將來的系統(tǒng)將持續(xù)這種趨勢。
汽車制造商因此正采取步驟降低因電子系統(tǒng)泛濫所造成的電氣系統(tǒng)超載問題。這些措施包括:提高現(xiàn)有用電附件的效率;功能集成以消除重復的控制電子系統(tǒng),從而降低控制系統(tǒng)的耗電;縮小機械傳動裝置,例如,對ABS創(chuàng)新使之能夠以更小、更低的功耗提供預期的功能。(改寫)
電力需求無窮無盡
實際情況依然是:在不遠的將來,附件超載將繼續(xù)猛烈如初,因為消費者需要越來越多的新特色和功能。從下圖可見4代汽車電子系統(tǒng)的演變進程。
從1968年到上世紀70年代,第一代汽車電子系統(tǒng)包括電動助力窗、電動門鎖、空調(diào)、電子燃油注入和電子點火,這些系統(tǒng)對于滿足那個時代的排放規(guī)則的要求是必需的,并演變到采用電動助力轉向。
從上世紀80年代到90年代早期,第二代汽車電子系統(tǒng)包括ABS、防盜系統(tǒng)和更為先進的電子引擎控制系統(tǒng),以滿足限制尾氣排放的法規(guī)的要求。第二代汽車電子系統(tǒng)因采用軟件控制功能和專用電子控制單元而成為可能,如早期的引擎控制單元(ECU)通過基于傳感器的閉環(huán)控制及取代了老式機械系統(tǒng)的電子機械傳動裝置來管理燃油、火花塞放電和廢氣的再循環(huán)。
第三代汽車電子功能因引入更為強大的微處理器而成為可能,例如以80186取代8080,并能夠處理更多的控制功能。這就引出了更為先進的功能,如多工通信和分布式計算功能、巡航控制、導航功能以及自動化程度更高的空調(diào)系統(tǒng),并改善了變速箱,實現(xiàn)了人力操縱傳動的自動化,采用了更為先進的氣囊。在第三代汽車電子時代,車載娛樂系統(tǒng)采用了數(shù)字信號處理器(DSP),提高了分布式電子系統(tǒng)架構的性能,擴展了諸如控制器局域網(wǎng)(CAN)之類多工通信的應用。
利用更高級別的分布式汽車電子系統(tǒng),就有可能從儀表盤面板中騰出新的空間,因為只有控制信息是需要讀取的。上世紀90年代的音響系統(tǒng)就是這種趨勢的一個例證,其中,收音機機芯和音響放大器級都安裝到汽車車身的后窗臺區(qū)域之中,儀表盤面板上僅僅留下顯示器和開關。車內(nèi)氣候電子控制、導航系統(tǒng)、CD換碟器等等之類的系統(tǒng)也出現(xiàn)了類似的趨勢。
在第四代汽車電子系統(tǒng)階段,微處理器和數(shù)字信號處理器在汽車中的應用更為普及。這些21世紀的系統(tǒng)中,每輛車的汽車電子系統(tǒng)采用了40到80個以上的微處理器和35到100個以上的電機。新的系統(tǒng)由軟件控制,并廣泛地依賴于廉價和魯棒的存儲器硬件的可用性。
將來汽車中電子系統(tǒng)的數(shù)量可能不會像二代時增長那么快,但是,軟件系統(tǒng)將呈指數(shù)增長。例如,目前正呈現(xiàn)的一個趨勢就是通過免疫系統(tǒng)工程把在線診斷(OBD)升級為下一代的OBD1。之所以出現(xiàn)這種趨勢是因為:目前的系統(tǒng)復雜性如此之高,以至于接近2/3的故障模式根本無法解讀,并且將繼續(xù)惡化。
要診斷未來的汽車電子系統(tǒng),將需要擴充在線計算軟件以執(zhí)行診斷,因為將來的系統(tǒng)所包含的電氣化高安全性子系統(tǒng)比現(xiàn)有的系統(tǒng)要多一個數(shù)量級以上,這些高安全性子系統(tǒng)包含在此已討論過的電氣化子系統(tǒng)及更多的子系統(tǒng)。目前,電子節(jié)氣門控制(ETC)和電子助力轉向系統(tǒng)(EPS)已經(jīng)被延伸到電子穩(wěn)定程序(ESP)系統(tǒng),以管理汽車縱向運動控制到電子受控剎車(ECB)系統(tǒng)等等功能。這些子系統(tǒng)成為表中所列的第6類。(改寫)
PowerNet穩(wěn)定性
隨著汽車電子系統(tǒng)的增多和汽車電力供電系統(tǒng)負擔的加重,設計工程師如何才能減輕各種各樣汽車用電設備的影響?雖然這些用電設備的平均功率需求以每年110W的速度持續(xù)增長,實際上這不是一個小數(shù),因為我們已經(jīng)看到汽車電子系統(tǒng)的用電量已經(jīng)讓供電系統(tǒng)超負荷運行。問題是什么才是讓汽車供電系統(tǒng)崩潰的“最后一根稻草”?什么時候會發(fā)生這種情況?
當混沌系統(tǒng)行為受到某種壓力因素作用的時候,如果該壓力因素的增長悄無聲息,最終會接近一個崩潰點或傾翻點。隨著對汽車PowerNet需求的增加,汽車上正在發(fā)生這種情況。從電網(wǎng)穩(wěn)定度的觀點看,這種情況并不是如此嚴重,因為有汽車蓄電池的穩(wěn)定作用。
PowerNet瞬間波動所帶來的問題
如上所述,21世紀的汽車電子系統(tǒng)高度依賴于軟件,因此,越來越易于受到PowerNet可變性的影響,并且擁擠雜亂的電力分配網(wǎng)絡對用電量的瞬間變化更為敏感。制造商要在更敏感的電子模塊中安裝電源線濾波和較大的電容器組,以解決日益惡化的電源分配網(wǎng)絡所面臨的問題。實際上依然是所有電子模塊都具有不同級別的噪聲免疫性;有時在已惡化的電源分配網(wǎng)絡與模塊本身負載開關的共同作用下,可能導致軟件故障。造成如此混亂的原因在于:微處理器或一些支持邏輯功能易于受到同時出現(xiàn)的電源線波動、涌動和負載驅動脈沖的影響。
目前,汽車制造商正尋求利用超級電容分布式模塊或本地電能儲存器件,那就可以向與ECU有關的位置提供平滑和穩(wěn)定的PowerNet。下圖描述分布式電子模塊、機電傳動裝置和超級電容部分儲能器件之間實現(xiàn)平衡的分層視圖。
在這個高度簡化的描述中,超級電容分布模塊或雙層電容(DLC)緊靠高耗能用電負載,如EPS(1.2KW)、電子機械剎車(1到2KW)和新型照明系統(tǒng)(如最近出現(xiàn)的白光LED頭燈)。本地分布式模塊為高峰負載供電,避免造成來自交流發(fā)電機和電池的14V電源線出現(xiàn)強烈的波動。
高耗能負載的切換,如上圖中加亮的那些部分對汽車電力分配網(wǎng)絡—14V PowerNet—有重大的干擾。例如,在一些最新提出的EPS設計中,電動助力轉向(EPS)系統(tǒng)有130A的電力需求,最高達到160A。過去,人們假設EPS電力需求在85A(1.2KW)到130A(1.8KW)范圍內(nèi),如果超出那個范圍就表示PowerNet處于最壞供電狀態(tài),就可能危及EPS的正常運行。當引擎幾乎處于怠速且連續(xù)負載已經(jīng)是27A加67A或1.3KW時,把1.2到1.8KW的瞬時負載加在PowerNet上,意味著電力分配系統(tǒng)的電壓波動為14.2V到12.8V;這也是電池電位的波動范圍。如果電力分配系統(tǒng)電壓下降10%,那么,那么從前大燈變暗就顯而易見,并且EPS性能也會退化,更不要提PowerNet瞬態(tài)波動傳導到所有其它相連ECU所引起的問題了。
負載平滑方法
本文前半部分描繪了汽車附件電力瞬態(tài)超載的情況,這里將通過仿真對此做進一步的解釋。在圖解說明的過程中,假設電動助力系統(tǒng)(EPS)工作的過程中,引擎管理和一些氣候控制電子系統(tǒng)也在連續(xù)地工作。假設EPS從汽車電力線(PowerNet)上持續(xù)300ms吸取90A的電流,例如,在堅硬的路面上做變道機動或以低速在停車場駐車。
在如下所示的第一種情況下,當PowerNet相對處于重載時EPS被激活,但是,沒有安裝超級電容電力分配模塊。相連負載代表27A的引擎管理、55A的氣候控制和15A的遙控電子控制單元(ECU)。例如,該遙控ECU可能是音響模塊,并有意顯示為采用本地電解電容器做濾波和平滑。
圖:該PowerNet為處于工作狀態(tài)的EPS供電,但是,沒有安裝超級電容分配模塊。 |
在上圖中,汽車充電系統(tǒng)由交流發(fā)電機和鉛酸電池來表示。在這種情況下,要利用Ansoft公司的汽車工具箱之中的Simplorer電化學建模工具對電池進行比較詳細的建模。PowerNet被高度簡化為由線規(guī)電阻建模的四個分支電路,包括引擎控制、車箱氣候控制、本地ECU和EPS(最右邊)。PowerNet分配點被標注為PDB或電力分配箱。
當EPS工作時,下圖描繪了上述電路引起的PowerNet瞬態(tài)波動。注意:當電力分配網(wǎng)絡穩(wěn)定時,交流發(fā)電機提供給電池的最初充電電流。
圖:當EPS被激活時,造成PowerNet的瞬態(tài)波動。 |
在上圖的曲線中,從左到右、從頂向下依次為:交流發(fā)電機輸出電流、電池電流、電池電壓、EPS電流和本地ECU端的電壓。注意,在EPS瞬時被激活前,電池需要20A的連續(xù)充電電流。在此仿真中,假設電池充電狀態(tài)為低,需要充電。關鍵點是ECU終端電壓的高可變性:13.8V到13.2V,再到12.2V,然后,回到13.2V。這是非常具有破壞性的瞬時電壓波動,其波動范圍超過了大型電解濾波電容器的平滑能力。
在汽車電力分配網(wǎng)絡上會出現(xiàn)許多此類瞬時波動現(xiàn)象,以至于汽車電力環(huán)境充滿了此類噪聲,讓各種ECU受到電源線上寬范圍的上下波動的影響。
圖:該PowerNet電路為已激活的EPS供電并包含一個超級電容分布式模塊(右上)。 |
上圖與前一張PowerNet電路圖相同,但是,增加了放置在EPS負載點的超級分布式模塊。這個超級模塊是一個標準的汽車設計產(chǎn)品,它在大的用電負載附近像電池一樣提供穩(wěn)定和平滑的PowerNet。所有其它地方一樣,存在超級分布式模塊的地方,就可以容易地在PowerNet和ECU電壓上觀察到平滑作用。
圖:當EPS被激活時,超級電容器分布式模塊平滑了PowerNet上的電源波動。 |
在上圖中可見,配備超級電容器分布式模塊的PowerNet顯示了好得多的響應行為。注意:顯示的刻度發(fā)生了變化,電源的變化范圍比沒有采用超級電容器模塊時要小得多。重要的一點是:EPS電流不變,所以,其功能保持不變。超級電容器分布式模塊的突出特征在于:極大地降低了為本地ECU供電的PowerNet的另外一個分支電路的終端電壓上的電源線干擾(右下線跡)。
基于碳超級電容器技術的分布式模塊或本地儲能的好處在于:穩(wěn)定PowerNet的效率很高,即使在汽車的遠端分支電路中也有助于平滑和穩(wěn)定電源線。
在不遠的將來,汽車電子功能和特色內(nèi)容將持續(xù)增長,隨之而來的是日益增加的附件導致電力分配系統(tǒng)超載。大的連續(xù)電力加載正把汽車充電系統(tǒng)推向超載,越來越多和越來越大的耗電設備所產(chǎn)生的負載瞬時電壓波動,讓非常復雜和高度分布的計算網(wǎng)絡很可能受到破壞。
為了看清楚這一點,考察一下典型汽車上的空調(diào)壓縮機以及中等美國家庭中安裝的空調(diào)機的制冷能力,就可以看到車內(nèi)送風電機實際上比家用中央加熱系統(tǒng)的耗電要大得多。其它許多車內(nèi)用電設備也類似。所有這些用電設備都安裝在非常有限的空間內(nèi),因而常常“擁抱”熱量和振動。
超級電容器分布式模塊可以取代兩到三個鉛酸蓄電池,從而為乘用車提供供電解決方案,并且它為電力系統(tǒng)提供了足夠的濾波。在某種程度上說,可以稱之為迫近傾翻點。對于汽車制造商來說,要重新安排PowerNet并把電力分配系統(tǒng)的電壓增加3倍以達到所提議的42V標準,超級電容器分布式模塊將是必不可少的。單單依靠它的作用就能把本文討論的電力分配系統(tǒng)的電流減少1/3。
此外,為了滿足特定功能的要求,一些過渡性系統(tǒng)已經(jīng)向著這個方向發(fā)展,利用超級電容器分布式模塊技術把本地12V電池供電電壓提升到30V甚至更高;EPS就是這樣一種功能,微型混合動力(與怠速停車系統(tǒng)有關)是在汽車中提供更高電壓的另一個例子。